学年高二鲁科版化学选修四练习第2章 第4节 化学反应条件的优化工业合成氨 Word版含答案.docx

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学年高二鲁科版化学选修四练习第2章第4节化学反应条件的优化工业合成氨Word版含答案

一、合成氨反应的限度

1．合成氨的化学方程式N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）。

2．合成氨反应的特点。

（1）所有的反应物和生成物都是气态，且该反应为体积减小的反应；

（2）气体的物质的量减小的熵减小的反应；

（3）该反应的正反应为放热反应。

1．合成氨工业生产中，为什么采用未转化的合成气循环使用？

答案：

合成氨反应中，反应物的转化率并不高，如果让N2和H2的混合气体只一次通过合成塔起反应是很不经济的，应将分离液氨后的未转化的合成气进行循环使用，并及时补充N2和H2，使反应物保持一定的浓度，有利于合成氨反应的进行。

二、合成氨反应的速率

1．速率方程：

在特定条件下，合成氨反应的速率与参加反应的物质的浓度的关系式为v＝kc（N2）c1.5（H2）c－1（NH3），由速率方程可知：

增大N2或H2的浓度，减小NH3的浓度，都有利于提高合成氨反应的速率。

2．温度升温时，k增大，因此升温有利于提高合成氨的速率。

3．加入合适的催化剂能降低合成氨反应的活化能，使合成氨反应的速率提高上万亿倍。

三、合成氨的适宜条件

1．合成氨反应条件的选择。

工业生产中，必须从反应速率和反应限度两个角度选择合成氨的适宜条件，既要考虑尽量增大反应物的转化率充分利用原料，又要选择较快的反应速率，提高单位时间内的产量，同时还要考虑设备的要求和技术条件。

2．合成氨的适宜条件。

反应

条件

压强

温度

催化剂

浓度

1×107～

1×108Pa

700K

左右

铁触媒

（1）N2与H2的投料比为1∶2.8

（2）使气态NH3变成液态NH3并及时从平衡混合物中分离出去，并及时补充N2和H2

2．合成氨工业生产中，为什么采取700K左右的温度？

答案：

在这个温度时，催化剂活性最大，反应速率也就大，从而可以提高合成NH3的经济效益。

1．下列关于工业合成氨的叙述中，错误的是（B）

A．在动力、设备、材料允许的情况下，反应尽可能在高压下进行

B．温度越高越有利于工业合成氨

C．在工业合成氨中，N2、H2的循环利用可提高其利用率，降低成本

D．及时从反应体系中分离出氨气有利于平衡向正反应方向移动

解析：

合成氨的反应为放热反应，温度越高，NH3的产率越低，温度太高会影响催化剂的催化效果。

2．合成氨反应达到平衡时NH3的体积分数与温度、压强的关系如右图所示，根据此图分析合成氨工业最有前途的研究方向是（C）

A．提高分离技术

B．研制耐高温的合成塔

C．研制低温催化剂

D．探索不用N2和H2合成氨的新途径

解析：

由题图可知：

NH3%随着温度的升高而显著下降，故要提高NH3%，必须降低温度，但目前所用催化剂铁触媒活性最高时的温度为500℃，故最有前途的研究方向为研制低温催化剂。

1．有关合成氨工业的说法中，正确的是（B）

A．从合成塔出来的混合气体，其中NH3只占15%，所以生产氨的工厂的效率都很低

B．由于氨易液化，N2、H2在实际生产中是循环使用，所以总体来说氨的产率很高

C．合成氨工业的反应温度控制在500℃，目的是使化学平衡向正反应方向移动

D．合成氨厂采用的压强是2×107～5×107Pa，因为该压强下铁触媒的活性最大

解析：

合成氨的反应在适宜的生产条件下达到平衡时，原料的转化率并不高，但生成的NH3分离出后，再将未反应的N2、H2循环利用，这样处理后，可使生产氨的产率都较高，故A项错误，B项正确；合成氨工业选择500℃左右的温度，是综合了多方面的因素确定的，因合成氨的反应是放热反应，低温才有利于平衡向正反应方向移动，故C项错误；无论从反应速率还是化学平衡考虑，高压更有利于合成氨，但压强太大，对设备、动力的要求更高，基于此选择了2×107～5×107Pa的高压，催化剂活性最大时的温度是500℃，故D项错误。

2．工业合成氨的反应是在500℃左右进行的，这主要是因为（D）

A．500℃时此反应速率最快

B．500℃时NH3的平衡浓度最大

C．500℃时N2的转化率最高

D．500℃时该反应的催化剂活性最大

解析：

工业合成氨反应采用500℃的温度，有三个方面的原因：

①有较高的反应速率；②反应物有较大的转化率；③催化剂的活性最大。

3．合成氨时，既要使合成氨的产率增大，又要使反应速率增快，不可采取的方法是（B）

A．补充N2　　　　　　　　B．升高温度

C．增大压强D．分离出NH3

解析：

补充N2、增大压强既能加快反应速率，又能促进平衡向生成氨的大向移动；分离出NH3，能使平衡向生成氨的方向移动，反应速率是提高的；升高温度能加快反应速率，但不利于氨的生成。

4．（双选）合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义。

对于密闭容器中的反应：

N2（g）＋3H2（g）2NH3（g），在673K、30MPa下n（NH3）和n（H2）随时间变化的关系如图所示。

下列叙述正确的是（AD）

A．A点的正反应速率比B点的大

B．C点处反应达到平衡

C．D点（t1时刻）和E点（t2时刻）处n（N2）不一样

D．其他条件不变，773K下反应至t1时刻，n（H2）比上图中D点的值大

解析：

在AB段可逆反应向正反应方向移动，随着反应的进行，反应物浓度在减小，正反应速率在降低，故选项A正确；C点时NH3、H2的物质的量仍在变化，未达到化学平衡，故选项B不正确；t1时刻和t2时刻都处于同样的化学平衡状态，则n（N2）不变，故选项C不正确；由于正反应是一个放热反应，升高温度化学平衡向逆反应方向移动，平衡时n（H2）比题图中D点的值要大，故选项D正确。

5．氨是一种重要的化工原料，氨的合成和应用是当前的重要研究内容之一。

传统哈伯法合成氨工艺中相关的反应式为：

N2＋3H22NH3　ΔH＜0。

（1）该反应的平衡常数K的表达式为：

K＝______；升高温度，K值______（选填“增大”“减小”或“不变”）。

（2）不同温度、压强下，合成氨平衡体系中NH3的物质的量分数见下表（N2和H2的起始物质的量之比为1∶3）。

分析表中数据，________（填温度和压强）时H2转化率最高，实际工业生产不选用该条件的主要原因是

________________________________________________________________________。

压强/MPa

氮的平衡含量/%

温度/℃

0.1

10

20

30

60

100

200

15.3

81.5

86.4

89.9

95.4

98.8

300

2.2

52.0

64.2

71.0

84.2

92.6

400

0.4

25.1

38.2

47.0

65.2

79.8

500

0.1

10.6

19.1

26.4

42.2

57.5

600

0.05

4.5

9.1

13.8

23.1

31.4

（3）下列关于合成氨说法正确是________（填字母）。

A．使用催化剂可以提高氮气的转化率

B．寻找常温下的合适催化剂是未来研究的方向

C．由于ΔH＜0、ΔS＞0，故合成氨反应一定能自发进行

D．增大n（N2）∶n（H2）的比值，有利于提高H2的转化率

解析：

（1）根据化学方程式可写出平衡常数为K＝c2（NH3）/[c（N2）·c3（H2）]，由于反应放热，升高温度平衡向逆反应方向移动，则平衡常数减小。

（2）在200℃、100MPa时氨气的含量最大，则H2转化率最高，但实际工业生产中压强不能太大，因压强太高，对生产设备要求也高，难以实现。

（3）催化剂不影响平衡移动，故A错误；寻找常温下的合适催化剂可减少能量的消耗，为研究的主要方向，故B正确；ΔS＜0，需在一定温度4才能进行，故C错误；增大n（N2）可提高H2的转化率，故D正确。

答案：

（1）c2（NH3）/[c（N2）·c3（H2）]　减小

（2）200℃、100MPa　压强太高，对生产设备要求也高，难以实现　（3）BD

6．CO可用于合成甲醇，反应方程式为CO（g）＋2H2（g）CH3OH（g）。

CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图所示。

该反应的ΔH____0（选填“＞”或“＜”）。

实际生产条件控制在250℃、1.3×104kPa左右，选择此压强的理由是________________。

解析：

根据图示，当压强相同时，降低温度，CO的平衡转化率升高，说明降温平衡向正反应方向移动，因此正反应为放热反应，则ΔH＜0。

答案：

<　在1.3×104kPa下，CO的平衡转化率已较高，再增大压强，CO的平衡转化率提高不大，而生产成本增加，得不偿失

1．下列有关合成氨的说法中正确的是（A）

A．降温并加压有利于提高氨在平衡混合物中的百分含量

B．升温并加压有利于提高氨在平衡混合物中的百分含量

C．通过调控温度和压强，就一定能获得氨在平衡混合物中的百分含量

D．通过调控温度、压强、氮气和氢气的分压比，就一定能使氮气和氢气完全转化为氨

解析：

氮气与氢气合成氨是气体物质的量减小的放热反应，降温和加压均能使化学平衡状态向生成氨的反应方向移动；改变反应物的浓度或气态反应物的分压也能改变氨在平衡混合物中的百分含量；无论采取什么措施，使可逆反应的反应限度达到100%都是不可能的。

2．合成氨所需H2可由煤和水反应制得，其中的一步反应为CO（g）＋H2O（g）CO2（g）＋H2（g）（正反应是放热反应），欲提高CO的转化率可采用的方法有：

①降低温度；②增大压强；③使用催化剂；④增大CO的浓度；⑤增大水蒸气的浓度；其中正确的组合是（C）

A．①②③　　　　　　　　B．④⑤

C．①⑤D．⑤

解析：

该反应为气体体积不变的反应，改变压强只能改变反应速率，但不能改变CO的转化率；该反应的正方向为放热反应，所以降低温度可使平衡向正反应方向移动，提高CO的转化率；增大反应物的浓度可使另一反应物的转化率提高，而本身转化率降低；催化剂只能改变化学反应速率，但不能使平衡移动。

3．NO2蒸气易形成N2O4：

2NO2（g）N2O4（g）（正反应为放热反应），现欲较准确测定NO2的相对分子质量，应采用的反应条件是（A）

A．高温低压B．低温高压

C．低温低压D．高温高压

解析：

题目要求准确测定NO2的相对分子质量，而NO2（g）易形成N2O4（g），不利于NO2的相对分子质量的测定。

故要准确测定NO2的相对分子质量，就必须使上述平衡向生成NO2分子的方向移动，由于上述正反应是一个体积缩小的放热反应，要使平衡向逆反应方向移动，则应采取高温低压的措施才行。

4．反应N2（g）＋3H2（g）2NH3（g）　ΔH<0在某一时间段中反应速率与反应过程的曲线关系如右图所示，则氨的百分含量最高的一段时间段是（t1～t6，只改变了温度或压强）（A）

A．t0～t1　　　　　　　B．t2～t3

C．t3～t4D．t5～t6

解析：

此题考查了对速率—时间图象的分析。

化学平衡时v正＝v逆，氨的百分含量不变。

t1～t2、t4～t5，v逆大于v正，平衡向左移动，致使氨的百分含量减少。

所以氨的百分含量最高时是t0～t1。

5．合成氨的温度和压强通常控制在约500℃以及2×107～5×107Pa的范围，且进入合成塔的N2和H2的体积比为1∶3，经科学实验测定，在相应条件下，N2和H2反应所得氨的平衡浓度（体积分数）如下表所示，而实际从合成塔出来的混合气体中含有氨约为15%，这表明（D）

　　压强

温度　　

2×107Pa

6×107P